(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
収差補正子を有する走査透過電子顕微鏡における収差補正方法であって、
複数の検出面を備える検出器に対して試料からの電子線を入射させる工程と、
前記電子線による暗視野像および前記検出面毎に前記電子線の角度情報を含む明視野像を同時に撮像する工程と、
前記暗視野像を観察像の位置基準として前記複数の明視野像から収差係数を算出する工程と、
算出した前記収差係数に基づき、収差が低減するように前記収差補正子を制御する工程と
を備えることを特徴とする走査透過電子顕微鏡における収差補正方法。
【請求項２】
前記収差係数算出工程は、
前記複数の明視野像間の像移動量を算出する工程と、
各前記像移動量から各明視野像における幾何収差量を算出する工程と
を含むことを特徴とする請求項１に記載の収差補正方法。
【請求項３】
前記像移動量は相互相関関数を用いて算出することを特徴とする請求項２に記載の収差補正方法。
【請求項４】
前記検出器の前記複数の検出面は、角度方向及び動径方向において等間隔に配置されている
ことを特徴とする請求項３に記載の収差補正方法。
【請求項５】
前記検出器は、
前記複数の検出面として、前記複数の明視野像を取得するための複数の検出面を有する明視野像検出器と、
前記明視野像検出器の外側に設置され、前記暗視野像を取得するための１つの検出面を有する暗視野像検出器と
を含むことを特徴とする請求項３に記載の収差補正方法。
【請求項６】
前記撮像工程は、更に、前記検出器上で前記試料からの電子線を回転させて暗視野像および複数の明視野像を同時に撮像する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の収差補正方法。
【請求項７】
前記撮像工程は、更に、前記複数の検出面を回転させて暗視野像および複数の明視野像を同時に撮像する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の収差補正方法。
【請求項８】
更に前記撮像工程の前工程として、
デフォーカスするとともに、暗視野像および前記検出面毎に前記電子線の角度情報を含む明視野像を同時に取得する工程と、
前記デフォーカス時の暗視野像に対する前記デフォーカス時の各明視野像の位置ずれベクトルの合成が最も小さくなるように、前記試料からの透過電子線と前記検出器との相対位置を調整する工程と
を備えることを特徴とする請求項１に記載の収差補正方法。
【請求項９】
前記試料からの前記電子線を拡大又は縮小させる工程を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の収差補正方法。
【請求項１０】
収差補正子を有する走査透過電子顕微鏡の収差補正装置であって、
電子線が入射する複数の検出面を有する検出器と、
（ａ）前記電子線による暗視野像および前記検出面毎に前記電子線の角度情報を含む明視野像を同時に撮像し、
（ｂ）前記暗視野像を観察像の位置基準として前記複数の明視野像から収差係数を算出し、
（ｃ）算出した前記収差係数に基づき、収差が低減するように前記収差補正子を制御する制御装置と
を備えることを特徴とする走査透過電子顕微鏡の収差補正装置。
【請求項１１】
前記制御装置は、前記収差係数の算出の際に、更に、前記複数の明視野像間の像移動量を算出し、各前記像移動量から各明視野像における幾何収差量を算出することを特徴とする請求項１０に記載の収差補正装置。
【請求項１２】
前記像移動量は相互相関関数を用いて算出することを特徴とする請求項１１に記載の収差補正装置。
【請求項１３】
前記検出器の前記複数の検出面は、角度方向及び動径方向において等間隔に配置されている
ことを特徴とする請求項１２に記載の収差補正装置。
【請求項１４】
前記検出器は、
前記複数の検出面として、前記複数の明視野像を取得するための複数の検出面を有する明視野像検出器と、
前記明視野像検出器の外側に設置され、前記暗視野像を取得するための１つの検出面を有する暗視野像検出器と
を含むことを特徴とする請求項１２に記載の収差補正装置。
【請求項１５】
さらに、試料と前記検出器と間に設置される回転レンズを備え、
前記制御装置は、更に、回転レンズを制御して前記検出器上で電子線を回転させるとともに、暗視野像および複数の明視野像を同時に撮像する
ことを特徴とする請求項１０に記載の収差補正装置。
【請求項１６】
前記検出器は、
電子線を光に変換する電子-光変換素子と、
前記電子-光変換素子を前記複数の検出面として分割するとともに、各前記検出面からの光を伝送する光伝送路と、
前記光伝送路から伝送された光を前記複数の検出面毎に電気信号に変換する複数の光検出器と、
を備えることを特徴とする請求項１３又は１４に記載の収差補正装置。
【請求項１７】
前記光伝送路は、光の伝送経路を変更することで前記電子-光変換素子の電子線入射面内で前記複数の検出面を回転させる回転機構を有する
ことを特徴とする請求項１６に記載の収差補正装置。
【請求項１８】
前記制御装置は、前記暗視野像および前記複数の明視野像を撮像する前に、
デフォーカスするとともに、暗視野像および前記検出面毎に前記電子線の角度情報を含む明視野像を同時に取得し、
前記デフォーカス時の暗視野像に対する前記デフォーカス時の明視野像の各位置ずれベクトルの合成が最も小さくなるように、電子線と前記検出器との相対位置を調整することを特徴とする請求項１０に記載の収差補正装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、走査透過電子顕微鏡における収差補正方法および収差補正装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
走査透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）は、収束させた電子線を試料上で走査し、この走査と同期させながら試料からの透過電子或いは散乱電子による検出信号の強度をマッピングすることで観察像（走査透過像、ＳＴＥＭ像）を得る電子顕微鏡である。走査透過電子顕微鏡は、原子レベルの極めて高い空間分解能が得られる電子顕微鏡として近年注目を集めている。この空間分解能は、試料に入射する電子線のビーム径に依存しているため、高分解能化を図るには収差の低減が非常に重要になる。収差を低減する直接的な手段としては、四極子や六極子等の収差補正子が用いられる。
【０００３】
また、観察時に短時間で高空間分解能を得るには、その時点で生じている収差を計算し、これら予め把握しておくことが有効である。その計算方法として、特許文献１には、試料面内で直交する二方向に向かって既知の距離で入射電子線をシフトさせ、その前後で取得したロンチグラム(Ronchigram)を用いて、収差を補正する方法を開示している。具体的には、各ロンチグラムを複数の小領域に分割し、各領域の特定の構造について入射電子線の各シフト前後の移動量（即ち倍率）を相互相関関数を用いて算出する。各シフトに対する移動量から、試料面上のｘ、ｙ方向に沿った２つの移動量が求まるので、各小領域毎に４つの移動量成分が算出される。これら移動量は、各小領域の像を形成した電子線の収束角及び方位角に対する収差関数χの２回偏微分に対応している。従って、求めた複数の移動量について最小二乗法を用いて上記２回偏微分をフィッティングし、そこから各収差係数を求める。そして、この収差係数を用いて収差補正子を制御することで各収差が低減される。
【０００４】
また、別の収差計算方法として、特許文献１は、一枚のロンチグラムを小領域に分割し、各領域についてフーリエ変換を実行することで複数のディフラクトグラム(diffractogram)を求め、これらディフラクトグラムから収差係数を算出する手法を開示している。各ディフラクトグラムに現れる明暗輪の位置は、電子線の収束角及び方位角に対する収差関数χの２回偏微分に対応するので、上記と同様のフィッテングを行うことで、これらから各収差係数を求めている。
【０００５】
更に別の収差計算方法として、特許文献１は、相互に異なる位置に配置された微小な検出器を用いた収差計算方法を示している。この場合、各検出器から得られる明視野像に対し、互いの像の移動量が算出される。各検出器の位置を入射電子線の収束角および方位角に対応付けると、各像の移動量は、収束角または方位角に対する収差関数χの１回微分に対応する。従って、求めた複数の移動量について最小二乗法を用いて上記１回微分をフィッティングし、そこから各収差係数を求めている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許６５５２３４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記特許文献１のロンチグラムを用いた収差補正方法では、ロンチグラムを観察するためのシンチレータ等の電子-光変換素子とＣＣＤカメラ等の撮像装置が必要である。ところが、走査透過電子顕微鏡には、基本的に、明視野像及び暗視野像を形成する電子を検出する検出器が鏡筒内に固定されている。従って、ロンチグラムを観察するためには、この検出器の前に電子-光変換素子を退避可能に設置しなければならない。また、電子-光変換素子を退避させた後に、改めてその後段の検出器によって明視野像及び暗視野像するので、収差補正後に時間的な遅延が生ずる。原子レベルの高分解能観察では、電子線のドリフト等の経時変化により収差が変化する可能性があるので、上記の時間遅延は無視できない。また、撮像装置は非常に高価であり、製造コストが増大してしまう。
【０００８】
また、ロンチグラムを観察するので、高分解能観察中には収差計算を実行することができない。この点からも、収差補正後に時間的な遅延が生ずることになる。
【０００９】
本発明は、高分解能観察において、収差の変化を伴う時間的遅延を最小に留め、且つ、収差係数の算出精度が高い収差補正方法及び収差補正装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第１の態様は収差補正子を有する走査透過電子顕微鏡の収差補正方法であって、複数の検出面を備える検出器に対して電子線を入射させる工程と、前記電子線による暗視野像および前記検出面毎に前記電子線の角度情報を含む明視野像を同時に撮像する工程と、前記暗視野像を観察像の位置基準として前記複数の明視野像から収差係数を算出する工程と、算出した前記収差係数に基づき、収差が低減するように前記収差補正子を制御する工程とを備えることを特徴とする。
【００１１】
前記収差係数算出工程は、前記複数の明視野像間の像移動量を算出する工程と、各前記像移動量から各明視野像における幾何収差量を算出する工程とを含むことが好ましい。
前記像移動量は相互相関関数を用いて算出することが好ましい。
【００１２】
前記検出器の前記複数の検出面は、角度方向及び動径方向において等間隔に配置されていることが好ましい。
【００１３】
前記検出器は、前記複数の検出面として、前記複数の明視野像を取得するための複数の検出面を有する明視野像検出器と、前記明視野像検出器の外側に設置され、前記暗視野像を取得するための１つの検出面を有する暗視野像検出器とを含むことが好ましい。
【００１４】
前記撮像工程は、更に、前記検出器上で前記試料からの電子線を回転させて暗視野像および複数の明視野像を同時に撮像する工程を含むことが好ましい。
【００１５】
前記撮像工程は、更に、前記複数の検出面を回転させて暗視野像および複数の明視野像を同時に撮像する工程を含むことが好ましい。
【００１６】
上記収差補正方法は、更に前記撮像工程の前工程として、デフォーカスするとともに、暗視野像および前記検出面毎に前記電子線の角度情報を含む明視野像を同時に取得する工程、および、前記デフォーカス時の暗視野像に対する前記デフォーカス時の明視野像の各位置ずれベクトルの合成が最も小さくなるように、前記試料からの透過電子線と前記検出器との相対位置を調整する工程、を備えることが好ましい。
【００１７】
上記収差補正方法は、更に、前記試料からの前記電子線を拡大又は縮小させる工程を備えることが好ましい。
【００１８】
本発明の第２の態様は収差補正子を有する走査透過電子顕微鏡の収差補正装置であって、電子線が入射する複数の検出面を有する検出器と、（ａ）前記電子線による暗視野像および前記検出面毎に前記電子線の角度情報を含む明視野像を同時に撮像し、（ｂ）前記暗視野像を観察像の位置基準として前記複数の明視野像から収差係数を算出し、（ｃ）算出した前記収差係数に基づき、収差が低減するように前記収差補正子を制御する制御装置とを備えることを特徴とする。
【００１９】
前記制御装置は、前記収差係数の算出の際に、更に、前記複数の明視野像間の像移動量を算出し、各前記像移動量から各明視野像における幾何収差量を算出することが好ましい。
【００２０】
前記制御装置において、前記像移動量は相互相関関数を用いて算出することが好ましい。
【００２１】
前記検出器の前記複数の検出面は、角度方向及び動径方向において等間隔に配置されていることが好ましい。
【００２２】
前記検出器は、前記複数の検出面として、前記複数の明視野像を取得するための複数の検出面を有する明視野像検出器と、前記明視野像検出器の外側に設置され、前記暗視野像を取得するための１つの検出面を有する暗視野像検出器とを含むことが好ましい。
【００２３】
収差補正装置は、試料と前記検出器と間に設置される回転レンズを備え、前記制御装置は、更に、電子レンズを制御して前記検出器上で電子線を回転させるとともに、暗視野像および複数の明視野像を同時に撮像することが好ましい。
【００２４】
前記検出器は、電子線を光に変換する電子-光変換素子と、前記電子-光変換素子を前記複数の検出面として分割するとともに、各前記検出面からの光を伝送する光伝送路と、前記光伝送路から伝送された光を前記複数の検出面毎に電気信号に変換する複数の光検出器と、を備えることが好ましい。
【００２５】
前記光伝送路は、光の伝送経路を変更することで前記電子-光変換素子の電子線入射面内で前記複数の検出面を回転させる回転機構を有することが好ましい。
【００２６】
前記制御装置は、前記暗視野像および前記複数の明視野像を撮像する前に、デフォーカスするとともに、暗視野像および前記検出面毎に前記電子線の角度情報を含む明視野像を同時に取得し、前記デフォーカス時の暗視野像に対する前記デフォーカス時の明視野像の各位置ずれベクトルの合成が最も小さくなるように、電子線と前記検出器との相対位置を調整することが好ましい。
【発明の効果】
【００２７】
上記の収差補正方法及び収差補正装置では、相互に位置の異なる複数の検出面の夫々から明視野像が取得され、これと同時に暗視野像を取得される。これら同時に取得した観察像を用いた各収差係数の算出において、ずれの少ない暗視野像を位置基準として用いるので、収差係数の算出精度を向上させることができ、この結果に基づく収差補正によって高分解能化が達成できる。
【００２８】
また、観察像を用いて収差係数を算出するので観察モードの切替えは不要である。つまり、走査透過像の観察後、直ちに収差補正を実行することができるため、収差補正と実際の観察との間の時間的な遅延を最小に留めることができる。これは電子光学系の設定値変更を最小限に抑えたい原子レベルの高分解能観察において、非常に有効である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の原理を説明するための図である。
【図２】本発明の原理を説明するための図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る収差補正装置の構成を示す図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係る検出器の検出面を示す図である。
【図５】本発明の第１及び第２実施形態に係る収差補正子制御装置の機能ブロック図である。
【図６】本発明の第１及び第２実施形態に係る光伝送路において検出面を回転させる手順を示す図である。
【図７】本発明の第２実施形態に係る収差補正装置の構成を示す図である。
【図８】本発明の第２実施形態に係る検出器の検出面を示す図である。
【図９】本発明の各実施形態に係る収差補正装置を搭載した走査透過電子顕微鏡の構成の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
（原理）
本発明に係る収差補正の原理について図面を参照して説明する。図１は、走査透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）（図９参照）による明視野像の取得において、ＳＴＥＭ内に導入された試料４１近傍から検出器１１までの電子線１の軌道の一例を模式的に示した図である。試料４１は、対物レンズ５７の前方焦点面５７ａから焦点距離だけ離れた位置に設置され、検出器１１は試料４１からカメラ長だけ離れた位置に設置されている。この図では、電子線１が対物レンズ５７の前方焦点面５７ａを通過し、対物レンズの収束作用によって試料４１に向かって収束する様子を示している。
【００３１】
なお、αは試料４１に対する電子線１の収束角（入射角）、θは試料４１上での電子線１の方位角である。収差が無い場合、各電子線はその収束角α及び方位角θに関わりなく、点線で示すように試料４１の一点に集中するはずである。ところが実際には収差（幾何収差）があるため、電子線１は試料４１への収束角αが大きいほど、試料４１の手前で光軸２と交差し、その照射位置は、当該電子線の収束角αが大きいほど、想定する照射位置から遠ざかる。この収差が対物レンズ５７の球面収差によるものであれば、良く知られているように、このずれは収束角αの３乗に比例する。
【００３２】
このような収差の影響下で、光軸２上を通過した電子線１ａが図２（ａ）に示す明視野像を形成した場合、試料４１に対して収束角α（α≠０）の電子線１ｂが形成する明視野像は、図２（ｂ）に示すように、図２（ａ）の明視野像に対する位置ずれを伴う。これは、収差による照射位置のずれにより、原子Ａの像を形成するために（換言すれば、原子Ａに照射するために）電子線１ｂを更にシフトさせる必要があるためである。
【００３３】
つまり、収束角αの異なる電子線によって形成される複数の明視野像は、収差によって必然的に相互の位置ズレを伴うことになる。即ち、試料４１についての一観察像を基準とし、これらの明視野像の位置ずれ量を位置ずれベクトルＦα、θで表したとすると、その逆方向のベクトルは各明視野像に現れる収差を示す幾何収差ベクトルＧα、θに対応する。
【００３４】
一方、対物レンズ５７の前方焦点面（開口面とも称する）５７ａは、電子線１の角度空間面である。即ち、図１の上部で概念的に示すように、前方焦点面５７ａ上の電子線の各位置を極座標で表すと、その動径成分および角度成分は、それぞれ、収束角α及び方位角θにより一義的に表すことができる。また、前方焦点面５７ａでの収差関数χは、これら収束角α及び方位角θの関数である次の各波面収差の和で表される。原子レベルでの高分解能観察では軸上収差のみを扱うことを考慮すると、収差関数χ（α，θ）は、次の（１）式で表される。
【００３５】
χ（α，θ）＝ 焦点ズレ（デフォーカス）＋２回非点
＋軸上コマ＋３回非点
＋球面収差＋スター収差＋４回非点
＋４次のコマ＋Threelobe収差＋５回非点
＋５次の球面収差＋６回非点…
即ち、
【００３６】
【数１】
0005499282.tif 000002
である。
【００３７】
幾何収差ベクトルＧα,θの収束角方向および方位角方向における各成分Ｇα、Ｇθは、この収差関数χについて収束角αおよび方位角θのそれぞれで偏微分することで得られる。
【数２】
0005499282.tif 000003
【００３８】
つまり、収束角α及び方位角θの複数の組のそれぞれにおける明視野像を取得することで、その組の数だけ幾何収差ベクトルＧα,θが得られ、これらに対して最小二乗法等の数学的処理を行うことで、各収差係数を算出することができる。
【００３９】
電子線の収束角α及び方位角θについては、例えば、電子線の検出面の位置を特定すればよい。例えば、収束角α及び方位角θを対応付けた検出位置の異なる複数の検出面を有する多分割検出器を用いて、それぞれの検出面に入射した電子線から明視野像をその検出面の位置情報（即ち、当該検出面に入射した電子線１の角度情報（収束角α及び方位角θ））と共に複数、同時に取得し、これらから各明視野像に対する幾何収差ベクトルＧα,θを複数算出する。なお、各収差は収束角αと位相角θ（前方焦点面では動径成分と角度成分）を変数にもつ関数であるため、両変数に対して検出面を少なくとも二分割する必要がある。好ましくは、
【００４０】
また、各収差係数の算出に必要な幾何収差ベクトルＧα,θの数が多いほど（即ち分割された検出面の数が多いほど）、次数の低い収差について高い精度で算出できる。
【００４１】
各明視野像に対する幾何収差ベクトルＧα,θの始点を定義する基準画像として、複数の明視野像のうちの１つを用いることもできるが、本発明では、この基準画像として上述の複数の明視野像と同時に取得する暗視野像を用いる。周知の通り、明視野像はコヒーレントな透過電子線（０次の回折電子線）によって形成される像であり、試料厚さやフォーカスによるコントラストの反転が生じるため、像内の特定の構造（例えば原子）の認識が困難となる場合がある。また、明視野像は、幾何収差等による電子線の入射角の変化によって容易にずれるため、幾何収差ベクトルＧα,θの基準位置を設定する像としては適さない。一方、暗視野像は、インコヒーレントである散乱電子によって形成されるため、像の反転が生じず、特定の構造に認識が容易である。また、ＳＴＥＭによる像観察の条件下では、入射電子に対する散乱強度の角度依存性は緩やかであるため、幾何収差等による電子線の入射角の変化に対して暗視野像は殆どずれない。さらに、明視野像と同時に暗視野像を取得するので、電子光学系等が生成する磁場又は電場の経時変化によって原子レベルの高分解能測定で憂慮されるナノオーダーの像のドリフトも排除される。従って、このような暗視野像を各検出面から得られる明視野像と同時に取得し、この暗視野像を各明視野像のずれに関する位置基準とすることで、幾何収差ベクトルＧα,θの算出精度を向上させることができる。
【００４２】
算出した各収差係数は、例えばＳＴＥＭの照射系側に設置された収差補正子において、収差を抑制するために用いられる。この場合、同時に取得した明視野像と暗視野像から各収差係数を直ちに求めることができるので、収差補正子の制御を短時間で実行することができ、上述のドリフト等が発生する前に高分解能な観察が可能になる。
【００４３】
本発明の基本的な原理は上記の通りであるが、実際に多分割検出器を用いて複数の明視野像を取得する場合、収差に基づく像の位置ズレを全ての検出器が検出できるように、試料４１からの透過電子線の中心軸に多分割検出器の中心を合わせることが望ましい。この位置合わせとして、対物レンズ５７を用いて電子線１をデフォーカスさせて暗視野像および複数の明視野像を同時に取得し、上述の幾何収差ベクトルＧα,θの算出と同様の手法を用いて、デフォーカス時の暗視野像に対する各明視野像の位置ずれベクトルＦα、θを算出し、その合成が最も小さくなるように、透過電子線と多分割検出器の相対位置を調整する。
【００４４】
具体的には、多分割検出器を用いた明視野像の観察において、試料４１への入射電子線をデフォーカスさせたとき、各明視野像の移動方向は、ある一点を中心にして放射状に移動する性質を利用する。つまり、入射電子線の光軸と多分割検出器の中心が一致している場合には、暗視野像を基準位置とした各明視野像の位置ずれベクトルＦα、θは略等しい大きさで放射状に分布するが、入射電子線の光軸から多分割検出器の中心が外れている場合（極端な例では、入射電子線の光軸の光軸が多分割検出器の外側にある場合）には、各収差係数を算出するための明視野像の取得、およびその位置ずれベクトル算出が困難になる。そこで、デフォーカス時の各位置ずれベクトルＦ´α、θを算出し、その合成が最小となるように、透過電子線を偏向させる、或いは、多分割検出器を光軸に垂直な面上で機械的に移動させる。これにより、透過電子線の中心軸と多分割検出器の中心を一致させることができる。
【００４５】
また、明視野像および暗視野像の取得に使用される検出面の数は、試料４１からの電子線を、例えば試料４１前段の投影レンズ等の電子レンズで拡大・縮小させることで適宜調整できる。電子線を拡大すれば、明視野像を取得するための検出面の数を増やすことができ、各収差係数の算出精度を向上させることができる。一方、電子線を縮小すれば、暗視野像の形成に必要な電子の検出面積を広げることができ、且つ、その検出散乱角は拡大するので、上記位置基準としてのＳＮ比の良い暗視野像を取得できる。
【００４６】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に係る収差補正装置について図３〜７を参照して説明する。
【００４７】
以下、本実施形態に係る収差補正装置１０は、ＳＴＥＭ５０（図９参照）に搭載される多分割検出器としての検出器１１と、試料４１と検出器１１との間に設置される偏向器３１と、検出器１１からの検出信号を処理し、その処理結果に基づいて収差補正子５５や偏向器５６（図９参照）を制御する収差補正子制御装置２０を備える。以下、これらの詳細を述べる。
【００４８】
まず、検出器１１について説明する。図３に示すように検出器１１は、電子線を光に変換する電子-光変換素子１２と、電子-光変換素子１２を複数の検出面として分割するとともに、各検出面からの光を伝送する光伝送路１３と、光伝送路１３から伝送された前記複数の検出面毎の光を電気信号に変換する複数の光検出器１４とを備える。
【００４９】
電子-光変換素子１２は、例えば一枚のシンチレータや蛍光板であり、入射した電子を後段の光検出器１４で検出可能な程度の強度をもつ光に変換する。
【００５０】
光伝送路１３は、例えば多数の光ファイバが束ねられた所謂バンドル光ファイバであり、電子-光変換素子１２側の端部は電子-光変換素子１２全面からの光を受光するように一体に纏められ、その反対側は受光した光をその受光位置に応じて各光検出器に伝送するように分岐している。即ち、光伝送路１３は、電子-光変換素子１２の発光面を、収束角αと方位角θを対応付けた相互に位置の異なる複数の検出面Ｄ１〜Ｄ１６として、複数の光検出領域に分割するように構成される。
【００５１】
光検出器１４は、例えば光電子増倍管（フォトマルチプライヤ）と前置増幅器の複合装置であり、分岐した光伝送路１３から出射した光を電気信号に変換し、増幅する。この信号は、各発光面に入射した電子線の検出信号として、収差補正子制御装置２０の画像処理部２２（後述）に入力される。
【００５２】
原理の項で述べた通り、各収差は収束角αと位相角θ（前方焦点面では動径成分と角度成分）を変数にもつ関数であるため、両変数に対して検出面を少なくとも二分割する必要がある。一方、各収差係数の算出に必要な幾何収差ベクトルＧα,θの数が多いほど、次数の低い収差について高い精度で算出ができる。従って、光伝送路１３は、電子-光変換素子１２の発光面を位相角方向（角度方向）および動径方向において等間隔に分割される。図４はこの分割の一例であり、位相角方向に４分割、収束角方向に４分割し、電子-光変換素子１２の発光面を検出面Ｄ１〜Ｄ１６として１６分割している。この場合、光伝送路１３の分岐数は１６であり、光検出器１４の台数も１６である。
【００５３】
本実施形態では、これら検出面Ｄ１〜Ｄ１６のうち、外側に位置する検出面Ｄ１３〜Ｄ１６を暗視野像用検出器の検出面として使用し、その内側に位置する検出面Ｄ１〜Ｄ１２を明視野像用検出器の検出面として使用する。ただし、暗視野像用検出器および明視野像用検出器として使用する各検出面の数は上記に限定されず、観察する試料や電子線の強度や加速電圧等の状況に応じて適宜設定可能である。
【００５４】
次に、本実施形態の収差補正子制御装置２０について説明する。図５は収差補正子制御装置２０の機能ブロック図である。この図に示すように、収差補正子制御装置２０は、演算部２１と、画像処理部２２と、電源制御部２３とを備え、ＳＴＥＭ全般を制御するＳＴＥＭ制御装置６２と通信回線２６等を経由して接続されている。なお、収差補正子制御装置２０は、演算部２１による収差の計算結果等を表示する表示装置２４やオペレータからの操作を受付ける入力装置２５を備えてもよい。また、収差補正子制御装置２０は、通信回線２６を用いずに、ＳＴＥＭ制御装置６２内に搭載する構成でもよい。
【００５５】
画像処理部２２は、検出面Ｄ１３〜Ｄ１６に対応する光検出器１４から出力される検出信号に基づいて暗視野像を作成する。また、これと同時に、検出面Ｄ１〜Ｄ１２に対応する光検出器１４から出力される検出信号に基づいて明視野像を作成する。暗視野像の画像データは、収差補正子制御装置２０内のメモリ等の記憶装置（図示せず）に記憶される。また、各明視野像の画像データも、各検出面に対応付けられた収束角α及び方位角θと共に記憶装置（図示せず）に記憶される。
【００５６】
演算部２１は、記憶装置（図示せず）から暗視野像を読み出し、この像を位置基準とし、相互相関関数等の数学的処理により各明視野像の幾何収差ベクトルＧα,θを算出する。この結果、各収束角α並びに各方位角θにおける幾何収差ベクトルＧα,θの各成分Ｇα、Ｇθが得られる。演算部２１は、収束角α及び方位角θと、得られた幾何収差ベクトルＧα,θとによる複数の組の中から所定数の組を選択し、最小二乗法等の数学的処理を用いて、幾何収差の各収差係数を算出する。
【００５７】
電源制御部２３は、演算部２１が算出した収差係数に基づいて収差補正子５５の励磁電流等を制御し、収差を低減させる。具体的には、例えば、演算部２１が算出した収差係数に基づいて、収差を低減させる励磁電流等の設定値を決定し、この設定値に基づく制御信号を通信回線２６を介してＳＴＥＭ制御装置６２に送信する。この場合、この設定値に基づいて、ＳＴＥＭ制御装置６２は収差補正子５５の励磁電流等を設定し、収差の低減が図られる。
【００５８】
また、デフォーカスを用いて入射電子線の光軸と検出器１１の中心を一致させる場合、電源制御部２３はＳＴＥＭ制御装置６２に対物レンズ５７（図９参照）への設定信号を送信し、ＳＴＥＭ制御装置６２はこの信号に基づいて対物レンズ５７の焦点距離を変更する。その後は、幾何収差ベクトルＧα,θの算出と同様に、画像処理部２２が暗視野像と各明視野像を同時に取得して、演算部２１が各明視野像の位置ずれベクトルＦα、θを算出し、且つ、その合成が最小となるような偏向器３１の設定値を決定する。電源制御部２３はこの設定値に基づいて、偏向器３１に電流又は電圧を印加し、試料４１からの電子線を偏向して入射電子線の光軸と検出器１１の中心を一致させる。
【００５９】
なお、光伝送路１３は、光の伝送経路を変更することで電子-光変換素子１２の電子線入射面内で前記複数の検出面Ｄ１〜Ｄ１６を回転させる回転機構１７を有してもよい。この場合、光伝送路１３は、真空側に配置される光伝送路１３ａと、大気側に配置される光伝送路１３ｂとに相互に回転可能に構成される。回転機構１７は、光伝送路１３全体の中心軸を維持しつつ、その中心軸の周りで光伝送路１３ｂを回転させ、光伝送路１３ａの端面１３ｃを光伝送路１３ｂの端面１３ｄに密着させる。例えば図６において、光伝送路１３ａ、１３ｂの各端面１３ｃ、１３ｄが各検出面毎に実線で示すように境界線で区分されているとすると、光伝送路１３ｂをその軸方向の周りで回転させ、光伝送路１３ｂの端面１３ｄの境界線を光伝送路１３ａの端面１３ｃの点線で示す位置に合わせ、互いを付き合わせる。この回転によって検出面全体が回転するので、回転前の収束角α及び方位角θの組とは異なる収束角α及び方位角θの組が定義できる。例えば、図６に示すように光伝送路１３ｂを４５°回転させた場合、新たに得られる収束角は（α＋２２．５）°になる。このように、回転前後で検出面の位置が変えることで、収差係数の算出に用いる明視野像の数が倍増させることができ、収差係数の算出精度を向上させることができる。また、大気側にある光伝送路を回転させるので、そのその操作は簡便であり、短時間で済む。従って、収差の経時変化は最小に抑えられる。
【００６０】
以上の検出面の回転は、試料４１と電子-光変換素子１２の間に試料４１からの電子線を回転させる回転レンズ（図示せず）を設けて行ってもよい。回転レンズは軸対称レンズであり、例えば、中間レンズ５９と投影レンズ６０の間の焦点面に配置される。
【００６１】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態に係る収差補正装置について図７及び図８を参照して説明する。本実施形態に係る収差補正装置１０´と第１実施形態に係る収差補正装置１０とは、検出器１１の構成が異なるだけであるので、第１実施形態と重複する部分についてはその説明を割愛する。
【００６２】
第１実施形態に係る検出器１１では、電子-光変換素子１２の一部が暗視野像検出器として使用されているのに対し、第２実施形態に係る検出器１１では、電子-光変換素子１２の全面が明視野像検出器として使用され、その外側に暗視野像検出器としての環状の暗視野検出面１２ｂが設置される。暗視野検出面１２ｂはマルチチャンネルプレート等で高感度に電子を検出するものである。従って、本実施形態にでは、光検出器１４に加えて、暗視野検出面１２ｂからの検出信号を増幅する前置増幅器１５が設けられる。前置増幅器１５の出力信号は画像処理部２２に入力され、そこで暗視野像の画像データが作成される。
【００６３】
本実施形態における光伝送路１３の構成は、第１実施形態で述べたものと同様である。電子-光変換素子１２の発光面は、収束角αと方位角θを対応付けた相互に位置の異なる複数の明視野像の検出面として分割される。
【００６４】
原理の項で述べたように、暗視野像は各明視野像の幾何収差ベクトルＧα,θを算出するための位置基準として用いるため、複数の検出面を用いて個別に暗視野像を形成する重要性は低い。従って、本実施形態によれば、光検出器の個数を削減でき、収差補正装置の構成は簡略化される。
【００６５】
上記各実施形態に係る収差補正装置が搭載される走査透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）について説明する。この走査透過電子顕微鏡は、収差補正子制御装置２０を除いて、周知の構成のものを適用できる。図９はその一例であって、走査透過電子顕微鏡５０は、第２実施形態に係る収差補正装置１０´を搭載している。
【００６６】
走査透過電子顕微鏡５０は、電子線１を発生する電子銃５１と、少なくとも１段の収束レンズ５２と、収差補正子５５と、スキャン及び軸合わせ用の偏向器５６と、対物レンズ５７と、試料４１を電子線１の照射領域に導入する試料ステージ５８と、中間レンズ５９と、投影レンズ６０と、検出器１１、及び上記の電子光学系を制御するＳＴＥＭ制御装置６２とを備える。なお、各レンズ間に電子線の軸合わせを行う偏向器（図示せず）が適宜設けられる。
【００６７】
ＳＴＥＭ制御装置６２は、電子銃５１や上記の電子光学系等に電圧又は電流を印加する電源６３と、この電源の出力電圧又は出力電流を制御する電源制御部６４と、検出器１１からの検出信号を用いて明視野像及び暗視野像等の観察像を作成する画像処理部６５と、観察像及び操作画面を表示する表示装置６６と、及びオペレータからの入力（例えば観察倍率や観察領域などの入力値）を受付ける入力装置６７とを備える。これらは、バス等によって相互に接続され、演算部６８の演算処理によって制御されている。
【００６８】
高電圧に印加された電子銃５１によって生成された電子線１は、収束レンズ５２に向かって加速される。電子線１は収束レンズ５２によって収束され、収差補正子５５及び偏向器５６を通過する。その後、対物レンズ５７によって更に細いビームに収束され、試料４１に照射される。このとき、収差補正子５５は球面収差等の各収差を補正し、偏向器５６は走査透過像を得るために光軸２に垂直な二方向に向かって電子線１を偏向させ、試料４１上で電子線１を走査する。各実施形態で述べたように、収差補正子５５は、収差補正装置１０´からも制御される。試料４１を透過した或いは試料４１から散乱した電子線１は対物レンズ５７の後焦点面（図示せず）において一旦収束した後、中間レンズ５９及び投影レンズ６０を通過して、検出器１１に入射する。
【００６９】
検出器１１には、入射した電子線１に基づき検出信号を出力する。この検出信号はＳＴＥＭ制御装置６２の画像処理部６５に入力される。収差補正を行う場合には、この検出信号は収差補正装置１０´の画像処理部２２にも入力される。ＳＴＥＭ制御装置６２の画像処理部６５は、この検出信号に基づき明視野像や暗視野像等の観察像（画像データ）を作成する。この観察像は、メモリやハードディスク等の記憶装置（図示せず）に適宜記録され表示装置２４によって表示される。
【符号の説明】
【００７０】
１    電子線
２    光軸
１０、１０´    収差補正装置
１１    検出器
１２    電子‐光変換素子
１３    光伝送路
２０    収差補正子制御装置
３１    偏向器
Ｄ１〜Ｄ１６    検出面
５０    走査透過電子顕微鏡
【図１】
0005499282.tif 000004
【図２】
0005499282.tif 000005
【図３】
0005499282.tif 000006
【図４】
0005499282.tif 000007
【図５】
0005499282.tif 000008
【図６】
0005499282.tif 000009
【図７】
0005499282.tif 000010
【図８】
0005499282.tif 000011
【図９】
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